JP4844080B2 - 印刷配線板及びその電源雑音抑制方法 - Google Patents

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Description

本発明は、印刷配線板及びその電源雑音抑制方法に関する。
通信機器やサーバ、PC(パーソナルコンピュータ)などの電子機器では大容量のデータを処理するため、動作周波数、信号転送速度が上昇している。このため、電源雑音も増大し、電源雑音による不具合等も発生している。製品の動作の安定化や品質向上等のために、電源雑音を抑制することが必要である。
従来、半導体装置(IC)の電源雑音を吸収し動作安定のためコンデンサを、ICの周囲に実装していたが、近時の半導体デバイスの高速化に伴い、コンデンサがバイパスコンデンサの役割をしない、という問題が生じている。
図3は、コンデンサによる電源雑音吸収のメカニズムを模式的に例示する図である。ICの動作により、電源・GND端子から発せられた電源雑音は、電源・GND層を介して、基板全体に伝播する。これは、電源層−GND層を2次元空間をもった伝送線路とみなすことができる。伝送線路をなす電源層−GND層間に、コンデンサ(いわゆる「バイパスコンデンサ」)が存在すると、その部分で、コンデンサによる特性インピーダンスの低下が発生する。これは、途中にインピーダンス不整合のある伝送線路とみなすことができる。一般に、伝送線路中に、インピーダンス不整合が発生すると、反射波が発生する。
伝送線路の特性インピーダンスをZ、コンデンサにより変化した特性インピーダンスをZ、伝送線路を伝播する雑音電圧をVとすると、コンデンサで反射する反射電圧Vは、次式(1)で表すことができる。
=V×(Z−Z)/(Z+Z) …(1)
>Zの場合には、反射電圧Vは負になり、ICの電源端子とコンデンサまでの距離が十分短いと、雑音電圧Vと反射電圧Vが重なり合い、ICの電源端子付近では雑音が小さくなる、という現象が発生する。
特に、ZよりもZが十分小さいと、V=−Vとなり、雑音電圧Vと反射電圧Vが重なり合いにより相殺され、理想的には、ICの電源端子付近の雑音は0になる。このように、反射の原理により、バイパスコンデンサの動作の説明が可能である。
なお、特許文献1には、プリント配線層の同一層において、電源層と信号配線層と接地層を混在させ基板上の配線できる領域を有効に使用することで配線層数を削減可能とした構成が開示されている。これは、同一層において、電源層と信号配線層と接地層を混在させるというものであり、電源−接地層の間隙を狭めるものではない。
特開2004−281768号公報
以下、GND層と電源層を含む印刷配線板およびコンデンサの特性インピーダンスについて検討してみる。図4に、基板(電源・グランド間)のインピーダンス特性の解析例を示す。横軸は周波数、縦軸はインピーダンスである。なお、図4には、後述される本発明の特性も示されている。
基板は、同一形状であるが、電源層−GND層の間隙(電源・グランド間の最小間隔、2.5倍、4倍での特性)を変化させており、電源層−GND層の間隙が狭いほど特性インピーダンスは小さくなることがわかる。
また図5にコンデンサのインピーダンス特性の解析例(静電容量1000pF、0.01uF、0.1uF、1uF、10uF、330uF)を示す。コンデンサの静電容量によって、共振周波数が異なり、共振周波数付近で特性インピーダンスが小さくなる。
さらに、図4と図5を比較すると、数100MHz以上では、コンデンサの特性インピーダンスが基板の特性インピーダンスを上回るため、式(1)を適用すると、反射電圧Vは正値となり、電源雑音の抑制の効果を奏し得ない。すなわち、数100MHz以上の雑音成分に対しては、コンデンサ(バイパスコンデンサ)による、電源雑音の抑制は不可能である。
半導体デバイスは、動作速度の上昇により、信号のスイッチング時の立ち上がり遷移は急峻になっている。このため、電源電流の周波数成分も高くなっている。
図6に、半導体装置に入力される50MHzの信号(矩形波)の立ち上がり時間trを変化させたときの電源電流のスペクトラム(tr=0.5ns、1.0ns、2.0ns、5.0ns)の解析例を示す。なお、図6の表示において、例えばtr=0.5nsの電源電流スペクトラムの大きさ(magnitude)は、成分aと、tr=1.0ns、2.0ns、5.0nsの各スペクトラムの大きさ成分b、c、dを加算したものである。
近時、立ち上がり時間trが1nsよりも速くなるものが多く、図6に示したように、電源雑音の成分も、数GHzまで存在する。
上記したとおり、数100MHzを超える雑音成分に対しては、コンデンサでは雑音抑制がなく、電源雑音の問題は深刻になっている。
ところで、電源雑音は、基板の特性インピーダンスに比例して大きくなることは、オームの法則から明らかである。雑音電流I、基板の特性インピーダンスをZとすると、電源雑音Vは、次式(2)で表され、基板の特性インピーダンスZを小さくすることが、電源雑音の抑制に有利である。
=Z×I …(2)
図4からもわかるように、電源−GND層の間隙が狭いほど、基板の特性インピーダンスは低下するため、雑音抑制効果が高い。
しかしながら、基板の電源−GND層の間隙を狭くすると、また別の問題も発生する。この問題について以下に説明する。
例えば、図7(a)のような、従来、6層(部品面(1層)、GND層、信号層、信号層、電源層、半田面(6層))で構成されている基板に関して、電源−GND層の間隙をより一層狭くするには、図7(b)の構成をとらざるを得ない。すなわち、部品面(1層)、信号層、GND層、電源層、信号層、半田面(6層)の構成となる。この場合、部品面(1層)と半田面(6層)に構成されている信号配線は、GND層や電源層から離れてしまうため、信号線自体の特性インピーダンスが大きくなってしまう。
一方、図7(c)のように、電源層、GND層を追加すると、基板の層数(図7(c)は、8層となる)が増え、コストアップとなる、という問題もある。
このように、数100MHzを超える電源雑音を抑制するため、基板の構成を変更して、電源−GND層の間隙を狭める場合、別の問題が発生することがわかる。
したがって、本発明は、コストの上昇を抑止しながら、電源雑音を効果的に抑制可能とする印刷配線板及びその電源雑音抑制方法を提供することにある。
本発明に係る印刷配線板は、信号層の空き領域に、電源電位及び/又はグランド電位の配線領域を備えている。
本発明に係る印刷配線板において、前記信号層が、電源層とグランド層との間にそれぞれ絶縁層を介して配設されている。
本発明に係る印刷配線板において、絶縁層を介して順に積層されてなる、第1の電源層、第1の信号層、第1のグランド層、第2の電源層、第2の信号層、及び、第2のグランド層を含み、前記第1の信号層は、電源電位とグランド電位のうちの一方の電位の第1の配線領域をその空き領域に含み、前記第2の信号層は、電源電位とグランド電位のうちの他方の電位の第2の配線領域をその空き領域に含む構成としてもよい。
本発明に係る印刷配線板において、前記信号層において、前記印刷配線板に実装される半導体装置の直下の少なくとも一部の領域が、前記空き領域とされる。
本発明に係る印刷配線板において、前記印刷配線板に実装される半導体装置の底面の中心部から四方に拡延された領域に対応する信号層の領域が、前記空き領域とされる構成としてもよい。
本発明に係る印刷配線板において、前記印刷配線板には、その部品面に対向する底面に複数の電極を備えた半導体装置が実装され、前記印刷配線板において、前記半導体装置の前記複数の電極とそれぞれ当接する複数のパッドを前記部品面に有し、前記パッドに接続するスルーホールは、前記パッドに対して、前記半導体装置の外周側に位置するように配置され、前記半導体装置の底面の縦横の中心線に対応して、十字状に拡延された領域に対応する信号層の領域が、前記空き領域とされる、構成としてもよい。
本発明に係る印刷配線板において、前記空き領域は、前記半導体装置の底面の中心部に対応する領域から外周側に幅が段階的に狭まる形状としてもよい。
本発明に係る印刷配線板において、前記第1の配線領域は、前記第1の配線領域の近傍に配設された、電源電位とグランド電位のうちの一方の電位のスルーホールに接続され、前記第2の配線領域は、前記第2の配線領域の近傍に配設された、電源電位とグランド電位のうちの他方の電位のスルーホールに接続される、構成としてもよい。
本発明に係る印刷配線板において、部品面及び/又は半田面の空き領域に、電源電位及び/又はグランド電位の配線領域を備えた構成としてもよい。
本発明に係る印刷配線板において、前記部品面において、前記印刷配線板に実装される半導体装置直下の少なくとも1部の領域を、前記空き領域とするようにしてもよい。
本発明に係る印刷配線板の電源雑音抑制方法は、信号層に空き領域を設ける工程と、前記信号層の空き領域に、電源電位及び/又はグランド電位となる、配線領域を設ける工程を含む。
本発明に係る印刷配線板の電源雑音抑制方法において、電源層と、グランド層と、その間に前記信号層を備えた多層基板としてもよい。
本発明に係る印刷配線板の電源雑音抑制方法は、部品面、及び/又は、半田面の空き領域に、電源電位及び/又はグランド電位となる、配線領域を設ける工程を含む。
本発明に係る印刷配線板の電源雑音抑制方法においては、第1の電源層、第1の信号層、第1のグランド層、第2の電源層、第2の信号層、及び、第2のグランド層を絶縁層を介して積層する工程を含み、
前記第1の信号層には、電源電位とグランド電位のうちの一方の電位の第1の配線領域をその空き領域に設ける工程と、
前記第2の信号層には、電源電位とグランド電位のうちの他方の電位の第2の配線領域をその空き領域に設ける工程と、を含むようにしてもよい。
本発明に係る印刷配線板の電源雑音抑制方法においては、前記印刷配線板には、その部品面に対向する底面に複数の電極を備えた半導体装置が実装され、前記印刷配線板において、前記半導体装置の前記複数の電極とそれぞれ当接する複数のパッドを前記部品面に有し、前記パッドに接続するスルーホールは、前記パッドに対して、前記半導体装置の外周側に位置するように配置され、前記半導体装置の底面の縦横の中心線に対応して、十字状に拡延された領域に対応する信号層の領域が、前記空き領域とされるようにしてもよい。
本発明に係る印刷配線板の電源雑音抑制方法においては、前記第1の配線領域を、前記第1の配線領域の近傍に配設された、電源電位とグランド電位のうちの一方の電位のスルーホールに接続する工程と、前記第2の配線領域を、前記第2の配線領域の近傍に配設された、電源電位とグランド電位のうちの他方の電位のスルーホールに接続する工程と、を含むようにしてもよい。
本発明によれば、信号層の空き領域に、電源パターン、GNDパターンを備えたことにより、コストの増大を抑えながら、電源雑音を効果的に抑制することができる。
上記した本発明についてさらに詳細に説述すべく、添付図面を参照して説明する。本発明は、電源層(101)とグランド層(103)の間に配設される、信号層(102)における空き領域(110)に、電源配線領域(111)/グランド配線領域(112)を備えている。本発明において、印刷配線板に実装される半導体装置の底面の中心部から四方に拡延された領域に対応する信号層(102)の領域が、電源配線領域、グランド配線領域となる空き領域(110)とされ、この空き領域は、パッド位置と対応するスルーホールの位置を調整することで、半導体装置の底面の中心部に対応する領域から外周側に向けて幅が段階的に狭まる形状としてもよい。以下実施例に即して説明する。
図1(A)は、本発明の一実施例の印刷配線板の配線パターン設計の一例を示す平面図であり部品面からみて透視的に示した図である。図1(B)は、図1(A)のA−A’線の断面図である。図1(C)は、図1(B)における信号層(印刷配線板内の電源配線111を含む信号層102)の面を示す平面図である。
図1(A)乃至図1(C)に示すように、本実施例では、BGA(Ball Grid Array)パッケージの半導体装置直下の配線パターンにおいて、電源層101とGND層103に挟まれた信号層102の空き領域(信号層における電源、GND配線領域)110に、電源配線領域(配線パターン)111/GND配線領域(配線パターン)112を配設している。これにより、電源−GND間の特性インピーダンスが小さな領域を作りこみ、高周波ノイズを抑制する。高周波に対する電源雑音抑制の効果を維持しつつ、信号線のインピーダンス整合を行い、且つ、コストの上昇を避けるため、電源端子(電源用スルーホール)104、GND端子(GND用スルーホール)105の近傍の信号層102に、電源配線領域111、GND配線領域112を構成する。すなわち、本実施例において、信号層102の空き領域110におけるGND配線領域112は近傍のGND用スルーホール105と接続される。また、図1(C)に示すように、信号層における電源配線領域110(信号層102における空き領域110に配設された電源配線領域をいい、図1(B)の断面の電源配線111に対応する)は、電源用スルーホール104と電気的に接続されている。
本実施例において、信号層102の電源配線領域111、GND配線領域112を含む領域では、電源−GND間の間隙が他と比べて狭くなり、図4に、本発明として示した通り、特性インピーダンスは、局所的に小さくすることができる。バイパスコンデンサの原理を説明したとおり、インピーダンスの低いところでは負性反射が発生し、発生源である雑音と、この負性反射が重畳し、雑音を抑制することができる。
半導体デバイスは、高速化が進み、半導体パッケージは、主に、BGAパッケージが採用されている。BGAは、実装する際端子用パッドから引き出し線108を介して対応するスルーホール106へ接続され、それぞれの層で、信号や電源、GNDへと接続される。
本実施例においては、引き出し線108を配線する際、ICの中心側から、外周側に放射状へ引き出すことにより、信号層102に、十字型形状の空き領域(信号層における電源、GND配線領域)110を確保することができる。特に制限されないが、図1(C)に示す例では、領域110は、四方に拡延する十字形状の各辺について、それぞれ、中心側から外周側に行くにしたがい階段状に幅狭となる形状となる。なお、本発明において、空き領域の形状は十字形に限定されるものでない。十字形空き領域110を使用しなくても、端子からの信号線の引き出しは可能である。
図1(B)に示す例では、部品面(1層)、GND層103、信号層102、電源層101、GND層103、信号層102、電源層101、半田面(8層)を備え、3層の信号層102の領域(信号層における電源、GND配線領域)110を電源配線領域111とし、6層の信号層102の領域110をGND配線領域112としている。
かかる構成により、領域(信号層における電源、GND配線領域)110における、電源・GND間の特性インピーダンスの低下を図ることができ、バイパスコンデンサと同等の効果を持たせることができる。
なお、雑音と反射波を重畳させ雑音のピークを相殺するためには、ICと電源配線領域111、GND配線領域112までの距離を短くする必要がある。
ここで、雑音を正弦波の半波長と仮定して、
パルス幅をT(=半周期)、
雑音源であるICの電源端子(またはGND端子)と電源配線領域111のパターン(またはGND配線領域112のパターン)までの距離をL、
雑音の単位長当たりの伝播遅延時間をτ、
とすると、雑音のピークであるT/2地点(1/4周期)を反射電圧と重畳させる必要があることから、次式(3)なる関係を満たすことが必要である。
T/2>2τL …(3)
ここで、雑音の波長λ、光速c、比誘電率εを用いて
T=√(ε)・λ/(2c) …(4)
τ=√(ε)/c …(5)
から、
L<λ/8 …(6)
なる関係が導かれる。
ガラスエポキシ基板では、1GHzの雑音成分を抑制するためには、2cm弱の距離にこのパターンを織り込む必要があることになる。
図1に示すように、IC直下の信号層102の空き領域(信号層における電源、GND配線領域)110に、GND配線領域112のパターン、電源配線領域111のパターンを構成することで、この部分の電源層101、及びGND層103の特性インピーダンスが局所的に小さくなる。
ここに、IC等の雑音源からノイズが伝播してくると、周囲よりも、特性インピーダンスが小さくなっているため、式(1)の関係で負性反射が発生する。
雑音源と局所的なインピーダンス低下部とが、式(6)の関係を満たすことで、雑音と反射波の重畳により、雑音源付近における雑音の低下を図ることができる。
図8、図9に、比較例として本発明を適用していない基板のインピーダンス特性(特性a)と、本発明を適用した基板のインピーダンス特性(特性b)とを示す。図8は、基板のみの特性比較、図9は、バイパスコンデンサとして複数の容量のコンデンサを実装した場合の比較である。図10は、比較例として本発明を適用していない基板の電源雑音の電圧波形(波形a)と、本発明を適用した基板の電源雑音の電圧波形(波形b)の一例を示す。
いずれの場合も、本発明により、1GHz以上で特性インピーダンスを低下させる効果があることがわかる。これに対して、本発明を適用していない比較例の場合、1GHz以上の帯域ではコンデンサだけでは特性インピーダンスを下げることができないことも示されている。
図6に示したとおり、近年の半導体デバイスは立ち上がり時間が速くなり、電源電流の高周波成分が高くなっている。実際の電源雑音は、式(2)で計算され、基板の特性インピーダンスを低下させることが電源雑音抑制に効果があることが解かる。
さらに、1GHz以上の帯域では、前述したように、バイパスコンデンサによる雑音抑制は期待できない。これに対して、基板自体の特性インピーダンスを下げる構成の本発明が有効であることが解る。
なお、上記実施例では、BGAパッケージの設計例を示したが、その他のパッケージでも当然適用が可能である。
図2は、QFP(Quad Flat Package)パッケージの例を示す図である。図2(A)は、平面図、図2(B)は、図2(A)のB−B’線の断面を示す図である。QFPの場合、低多層の基板で使用されるため、内層が無い場合がある。この場合、部品直下の1層面の領域210や半田面の空き領域を利用することが可能である。図2に示すように、部品直下の基板表面に電源配線203を、裏面(半田面)の対応する領域にGND配線204を備えている。電源配線203は電源用スルーホール205、GND配線204はGND用スルーホール206と接続されている。
以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみに制限されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
(A)は本発明の一実施例の部品面からの透視図、(B)は(A)のA−A’線の断面図、(C)は(B)の信号層102の配線パターンを説明するための透視図である。 (A)は本発明の他の実施例の部品面からの透視図、(B)は(A)のB−B’線の断面図である。 コンデンサによる電源雑音吸収のメカニズムを示す模式図である。 基板(電源・グランド間)のインピーダンス特性の解析例を示す図である。 コンデンサのインピーダンス特性の解析例を示す。 各種立ち上がり時間に関する電源雑音電流のスペクトラムを示す図である。 (a)乃至(c)は従来の基板の構成例を示す図である。 本発明と比較例における、基板のみのインピーダンス特性を示す図である。 本発明と比較例における、基板にコンデンサ実装した時のインピーダンス特性を示す図である。 本発明と比較例における、電源雑音の電圧波形を示す図である。
符号の説明
100 印刷配線板(基板)
101 電源層
102 信号層
103 GND層
104 電源用スルーホール
105 GND用スルーホール
106 スルーホール(信号用スルーホール)
107 パッド
108 引き出し線
110 空き領域(信号層における電源、GND配線領域)
111 電源配線領域
112 GND配線領域
200 印刷配線板(基板)
201 電源層
202 GND層
203 電源配線領域
204 GND配線領域
205 電源用スルーホール
206 GND用スルーホール
207 パッド
208 信号
210 空き領域(信号層における電源、GND配線領域)

Claims (8)

  1. 信号層に設けられた所定の空き領域に、電源電位及び/又はグランド電位の配線領域を備えた印刷配線板であって、
    各層間に絶縁層をして順に積層されてなる、第1の電源層、第1の信号層、第1のグランド層、第2の電源層、第2の信号層、及び、第2のグランド層を含み、
    前記第1の信号層は、電源電位とグランド電位のうちの一方の電位の第1の配線領域を、前記第1の信号層に設けられた空き領域に含み、
    前記第2の信号層は、電源電位とグランド電位のうちの他方の電位の第2の配線領域を、前記第2の信号層に設けられた空き領域に含む、ことを特徴とする印刷配線板。
  2. 前記印刷配線板に実装される半導体装置の底面の中心部から四方に拡延された領域に対応する前記信号層の領域を前記空き領域とし、電源電位及び/又はグランド電位の配線領域を備えている、ことを特徴とする請求項記載の印刷配線板。
  3. 信号層に設けられた所定の空き領域に、電源電位及び/又はグランド電位の配線領域を備えた印刷配線板であって、
    前記信号層は、電源層とグランド層との間にそれぞれ絶縁層を介して配設され、
    前記印刷配線板には、その部品面に対向する底面に複数の電極を備えた半導体装置が実装され、
    前記印刷配線板において、前記半導体装置の前記複数の電極とそれぞれ当接する複数のパッドを前記部品面に有し、前記パッドに接続するスルーホールは、前記パッドに対して、前記半導体装置の外周側に位置するように配置され、
    前記半導体装置の底面の縦横の中心線に対応して十字状に拡延された領域に対応する前記信号層の領域が前記空き領域とされる、ことを特徴とする印刷配線板。
  4. 前記空き領域は、前記半導体装置の底面の中心部に対応する領域から外周側に幅が段階的に狭まる形状である、ことを特徴とする請求項記載の印刷配線板。
  5. 前記第1の配線領域は、前記第1の配線領域の近傍に配設された、電源電位とグランド電位のうちの一方の電位のスルーホールに接続され、
    前記第2の配線領域は、前記第2の配線領域の近傍に配設された、電源電位とグランド電位のうちの他方の電位のスルーホールに接続される、ことを特徴とする請求項記載の印刷配線板。
  6. 信号層に空き領域を設け、前記信号層の空き領域に、電源電位及び/又はグランド電位となる配線領域を設ける工程を含む印刷配線板の電源雑音抑制方法であって、
    第1の電源層、第1の信号層、第1のグランド層、第2の電源層、第2の信号層、及び、第2のグランド層を各層間に絶縁層をしてこの順に積層する工程を含み、
    前記第1の信号層には、電源電位とグランド電位のうちの一方の電位の第1の配線領域を、前記第1の信号層の空き領域に設ける工程と、
    前記第2の信号層には、電源電位とグランド電位のうちの他方の電位の第2の配線領域を、前記第2の信号層の空き領域に設ける工程と、
    を含む、印刷配線板の電源雑音抑制方法。
  7. 信号層に空き領域を設け、前記信号層の空き領域に、電源電位及び/又はグランド電位となる配線領域を設ける工程を含む印刷配線板の電源雑音抑制方法であって、
    前記印刷配線板には、その部品面に対向する底面に複数の電極を備えた半導体装置が実装され、
    前記印刷配線板において、前記半導体装置の前記複数の電極とそれぞれ当接する複数のパッドを前記部品面に有し、前記パッドに接続するスルーホールは、前記パッドに対して、前記半導体装置の外周側に位置するように配置され、
    前記半導体装置の底面の縦横の中心線に対応して、十字状に拡延された領域に対応する信号層の領域が、前記空き領域とされる、ことを特徴とする印刷配線板の電源雑音抑制方法。
  8. 前記第1の配線領域を、前記第1の配線領域の近傍に配設された、電源電位とグランド電位のうちの一方の電位のスルーホールに接続する工程と、
    前記第2の配線領域を、前記第2の配線領域の近傍に配設された、電源電位とグランド電位のうちの他方の電位のスルーホールに接続する工程と、
    を含む、ことを特徴とする請求項記載の印刷配線板の電源雑音抑制方法。
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